Em formação

Como o DNA organiza a posição física de uma célula dentro de um corpo?


Como as células "sabem" onde deveriam estar em relação às outras células, ao formar a forma física do corpo?

Se você já tentou organizar ou coreografar as posições físicas de um grupo de pessoas em um campo, por exemplo, para uma dança ou exibição, ou mesmo apenas para ficar no palco em uma formatura, você saberá que é preciso um pouco de comunicação e trabalhando entre as pessoas e o coreógrafo (que poderia ser considerado uma espécie de "inteligência central")

Analogia: Se você der a cada pessoa no campo um diagrama ou mapa simples (DNA) que mostra onde as posições finais devem estar, eles podem ou não ter sucesso, mas eles definitivamente terão que falar: "Você está aqui; eu estarei próximo a você; Jo, você precisa virar um pouco; etc, etc ... "

Como as células fazem isso, visto que as células podem se anexar e se agrupar em qualquer direção? Especialmente, como as células se coordenam com outras células bastante distantes? (Dado como as células pequenas são em relação às formas e estruturas do corpo)

Por exemplo, em meu diagrama aqui, 4 células estão formando uma forma específica (digamos que estão construindo o canto de uma orelha ou algo assim). A célula A "sabe" onde está a célula C ou a célula D?

Por favor, não estou atrás de nomes de produtos químicos específicos ou mecânica aprofundada da fisiologia celular. Estou atrás da descrição de um leigo ou de um princípio geral que está em ação.

Conceito relacionado ao bônus: Por que / como o corpo constrói um osso com essa forma exata da primeira vez (no útero), mas quando você quebra esse osso mais tarde, o corpo parece apenas espalhar material ósseo por toda parte, como um gesso ruim?

Anexei abaixo uma lista de artigos que li (ou tentei ler) para tentar responder à minha pergunta.


Como o DNA organiza a posição física de uma célula dentro de um corpo? - Biologia

As células são a base da vida - a unidade estrutural básica dos seres vivos. Moléculas como água e aminoácidos não estão vivas, mas as células estão! Toda a vida é composta de células de um tipo ou outro.

Uma das características dos sistemas vivos é a capacidade de manter a homeostase, ou um estado interno relativamente constante. A célula é o primeiro nível de complexidade capaz de manter a homeostase e é a estrutura única da célula que permite essa função crítica.

Nesta seção do curso, você aprenderá sobre a célula e todas as partes que a tornam funcional. Você também se concentrará na membrana celular, que é a estrutura que envolve a célula e separa seu ambiente interno do externo. É um componente crítico porque controla o que pode entrar e sair da célula. Esta seção também descreve como as células se reproduzem para manter a homeostase.

A teoria celular atual afirma que:

  1. Todos os seres vivos conhecidos são compostos de uma ou mais células.
  2. Todas as novas células são criadas por células pré-existentes que se dividem em duas.
  3. A célula é a unidade mais básica de estrutura e função em todos os organismos vivos.

Os modernos teóricos da célula afirmam que todas as funções essenciais à vida ocorrem dentro da célula e que, durante a divisão celular, a célula contém e transmite para a próxima geração as informações necessárias para conduzir e regular o funcionamento celular.

Vamos começar nosso estudo da célula investigando a anatomia básica de uma célula animal. Cada célula consiste em três componentes mostrados na imagem acima.

  1. Uma membrana celular que envolve e protege a célula
  2. O citoplasma, que é o interior aquoso da célula, que contém íons, proteínas e organelas
  3. Organelas que realizam todas as atividades necessárias para a célula viver, crescer e se reproduzir

Dentro do corpo, as células representam um nível de organização entre organelas e tecidos. As organelas, por sua vez, são compostas por macromoléculas especializadas e os tecidos são coleções de células especializadas. Os tecidos do cérebro, rim, fígado, músculo e pulmão diferem uns dos outros devido à estrutura e função de suas células constituintes. Assim, as células que compõem cada tipo de tecido variam em forma, tamanho e estrutura interna para permitir sua função fisiológica específica dentro do tecido. Um conceito importante a ter em mente ao estudar anatomia e fisiologia é que a estrutura determina a função. Quando você olha para a forma de uma célula, você tem uma pista sobre sua função.

Observe as células abaixo e pense em como a forma é necessária para sua função. Veja se você pode combinar a célula com sua função.


BIO101 - de uma célula para duas: divisão celular e replicação de DNA

Esta postagem foi escrita originalmente em 2006 e publicada novamente algumas vezes, inclusive em 2010.

Como você deve saber, há cerca de doze anos venho ensinando BIO101 (e também o Laboratório BIO102) para alunos não tradicionais em um programa de educação de adultos. De vez em quando, eu medito sobre isso publicamente no blog (veja isso, isso, isso, isso, isso, isso e isso para alguns posts curtos sobre vários aspectos - desde o uso de vídeos até o uso de uma sala de aula blog, sobre a importância do Acesso Aberto para que os alunos possam ler a literatura primária). A qualidade dos alunos neste programa tem aumentado constantemente ao longo dos anos, mas ainda estou muito limitado com o tempo: tenho oito reuniões de 4 horas com os alunos ao longo de oito semanas. Nesse período, tenho que ensinar-lhes toda biologia de que precisam para seus cursos não científicos, além de deixar tempo suficiente para que cada aluno faça uma apresentação (sobre a ciência de sua planta e animal favoritos) e para dois exames. Portanto, tenho que reduzir as aulas ao mínimo, e torcer para que esse esqueleto seja o que os graduandos não científicos realmente precisam saber: conceitos em vez de factóides, relacionamento com o resto de suas vidas em vez de relacionamento com as outras ciências. Assim, sigo minhas palestras com vídeos e discussões em sala de aula, e seu dever de casa consiste em encontrar vídeos ou artigos legais de biologia e postar os links no blog da sala de aula para que todos possam ver. Algumas vezes, usei a malária como um fio condutor que conectava todos os tópicos - da biologia celular à ecologia, à fisiologia à evolução. Acho que funcionou bem, mas é difícil de fazer. Eles também escrevem um artigo final sobre alguns aspectos da fisiologia.

Outra novidade é que a administração percebeu que a maior parte do corpo docente está na escola há muitos anos. Somos experientes e, aparentemente, sabemos o que estamos fazendo. Assim, eles recentemente nos deram muito mais liberdade para projetar nosso próprio currículo em vez de seguir um pré-definido, desde que os objetivos finais da aula permaneçam os mesmos. Não tenho certeza de quando vou ensinar as palestras BIO101 novamente (final do outono, primavera?), Mas quero começar a repensar minha aula mais cedo. Também estou preocupado com o fato de que, como não estou fazendo pesquisas ativamente no laboratório e, portanto, não acompanho a literatura tão de perto, algumas das coisas que ensino agora estão desatualizadas. Não que alguém possa acompanhar todos os avanços em todas as áreas da Biologia, que são tão grandes, mas pelo menos grandes atualizações que afetam o ensino de cursos introdutórios são coisas que eu preciso saber.

Eu preciso me atualizar e atualizar minhas anotações de aula. E que melhor maneira do que crowdsource! Portanto, nas novas semanas, irei postar novamente minhas antigas anotações de aula (observe que são apenas introduções - discussões e vídeos etc., acompanhe-as na sala de aula) e pedirei que você me verifique os fatos. Se eu entendi algo errado ou algo está desatualizado, me avise (mas não empurre apenas sua própria hipótese preferida se a questão ainda não estiver resolvida - dê-me toda a explicação da controvérsia). Se algo estiver faltando, me avise. Se algo pode ser dito em uma linguagem mais agradável - edite minhas frases. Se você estiver ciente de imagens, artigos, posts de blogs, vídeos, podcasts, visualizações, animações, jogos, etc. legais que podem ser usados ​​para explicar esses conceitos básicos, me avise. E no final, uma vez que fizermos isso com todas as palestras, vamos discutir o currículo geral - existe uma maneira melhor de organizar todo esse material para uma aula tão acelerada.

Hoje, continuamos com a parte de biologia celular do curso - abordando a maneira como as células se comunicam entre si, algo que aparecerá repetidamente pelo resto do curso. Veja as palestras anteriores:

Continuando com as notas da aula de quinta-feira BIO101, aqui está a quinta parte. Como sempre, peço que corrijam meus erros e dêem sugestões para tornar a palestra melhor. Lembre-se de que este é um curso de velocidade MUITO básico e que cada uma das notas de aula cobre cerca de 45 minutos (geralmente tendo 3-4 minutos no mesmo dia). Esta parte foi postada pela primeira vez em 14 de maio de 2006.

Divisão celular e replicação de DNA

Na primeira aula, cobrimos a forma como a ciência funciona e, especialmente, como o método científico se aplica à biologia. Em seguida, observamos a estrutura da célula, construindo um mapa da célula - sabendo quais processos acontecem onde na célula, por exemplo, a produção de moléculas de ATP ricas em energia na mitocôndria.

Na terceira parte da palestra, demos uma olhada mais de perto na maneira como o código do DNA é transcrito em RNA no núcleo, e o código do RNA é traduzido em estrutura de proteína no retículo endoplasmático rugoso. Por fim, examinamos várias maneiras diferentes pelas quais as células se comunicam umas com as outras e com o ambiente, modificando assim a função celular.

Todas essas informações serão importantes nesta palestra, pois abordamos as formas como as células se dividem, como a divisão celular, começando com uma célula fertilizada, constrói um embrião, como o código genético (genótipo) influencia as características observáveis ​​e mensuráveis ​​(fenótipo) e , finalmente, como esses processos afetam a composição genética das populações de organismos da mesma espécie - o processo de evolução.

A única maneira de construir uma célula é dividindo uma célula existente em duas. Como o genoma (a sequência completa do DNA) é uma parte essencial de uma célula, é necessário que o DNA seja duplicado antes da divisão celular.

Nas células eucarióticas, os cromossomos são estruturas compostas principalmente de DNA e proteínas. O DNA é uma longa molécula semelhante a uma cadeia dupla. Algumas porções do DNA são permanentemente enroladas e cobertas com proteínas protetoras para prevenir a expressão do DNA (transcrição). Outras partes podem ser desemaranhadas para que a transcrição possa ocorrer.

O número de cromossomos é diferente em diferentes espécies. As células humanas possuem 23 pares de cromossomos. Antes da divisão celular, cada cromossomo se replica produzindo dois cromossomos irmãos idênticos - cada um eventualmente pousando em uma das células-filhas.

O processo de replicação do DNA - a maneira como todo o código do DNA da célula-mãe se duplica e uma cópia vai para cada célula filha - é o aspecto mais importante da divisão celular. Ele está maravilhosamente descrito em seu folheto e representado na animação. Outras organelas celulares também se dividem e se dividem em duas células-filhas. Assim que o processo de replicação do DNA termina, a nova porção da membrana celular é construída, seccionando a célula e dividindo todo o material genético em dois compartimentos celulares, levando a célula a se dividir em duas células.

A meiose é um caso especial de divisão celular. Enquanto a mitose resulta na divisão de todos os tipos de células do corpo, a meiose resulta na formação de células sexuais - os gametas: óvulos e espermatozoides. A mitose é um processo de uma etapa: uma célula se divide em duas. A meiose é um processo de duas etapas: uma célula se divide em duas, então cada filha imediatamente se divide novamente em duas, resultando em quatro células netas.

Cada célula do corpo tem duas cópias de todo o DNA - uma cópia recebida da mãe, a outra do pai. A fertilização (fusão de um óvulo e um espermatozóide) dobraria o número de cromossomos em cada geração se o óvulo e as células espermáticas tivessem a cópia duplicada. A meiose garante que os gametas tenham apenas uma cópia do genoma - uma mistura de sequências maternas e paternas. Essa célula é chamada de célula haplóide.

Depois que o óvulo e o espermatozóide se fundem, o zigoto resultante (óvulo fertilizado) contém novamente uma dose dupla de DNA e é chamado de célula diplóide. Assim, o zigoto resultante herda o material genético tanto de seu pai quanto de sua mãe. Todas as células do corpo, exceto os gametas, são diplóides. A reprodução sexual produz descendentes que são geneticamente diferentes de qualquer um dos pais.

A replicação do DNA é um processo complexo de duplicação do DNA que envolve muitas enzimas. É o primeiro e mais importante processo de divisão celular. Por favor, leia a apostila (PEQUENO ALMOÇO DOS CAMPEÕES FAZ REPLICAÇÃO de David Ng) para apreciar a complexidade do processo, mas você não precisa memorizar nenhuma das enzimas para os exames. Além disso, ajudará na sua compreensão do processo se você assistir a esta animação.


The Embryo Project Encyclopedia

Somitos são blocos de mesoderme localizados em ambos os lados do tubo neural no embrião de vertebrado em desenvolvimento. Os somitos são populações precursoras de células que dão origem a estruturas importantes associadas ao plano corporal dos vertebrados e eventualmente se diferenciam em derme, músculo esquelético, cartilagem, tendões e vértebras. Os somitos também determinam os caminhos migratórios das células da crista neural e dos axônios dos nervos espinhais.

Devido à sua importância para o desenvolvimento, os somitos têm sido o tópico de muitos experimentos ao longo dos anos. Por exemplo, um experimento publicado em 1992 por Nicole Le Douarin e Charles Ordahl, que envolveu o mapeamento do destino de quimeras de galinha-codorna, revelou a disposição do somito interno e os padrões migratórios de cada seção. Este experimento mostrou a localização exata das populações precursoras dos diferentes grupos de músculos que derivam do somito, esclarecendo sua importância para o desenvolvimento.

O primeiro par de somitos se forma na parte anterior do tronco, adjacente à notocorda e o restante segue, brotando do mesoderma sequencialmente, da cabeça à cauda. O processo de formação de somito, ou somitogênese, depende de cinco componentes importantes: periodicidade, formação de fissura, epitelização, especificação e diferenciação. A formação começa quando as células mesodermas paraxiais se organizam em espirais de células chamadas somitômeros. Conforme o somito amadurece, as células externas se transformam de células mesenquimais em células epiteliais, criando uma fronteira distinta entre os somitos individuais. Esses somitos então se separam em porções cranial e caudal, e a porção cranial de cada um se funde com a porção caudal do somito diretamente anterior a ele em um processo conhecido como deslocamento metamétrico. Regiões distintas de cada somito tornam-se tecidos e tipos de células específicos à medida que o corpo amadurece.

A somitogênese pode ser descrita pelo mecanismo de “relógio e onda”, no qual o sinal oscilante (relógio) é fornecido por redes genéticas em cascata, enquanto um gradiente de fator de crescimento de fibroblastos (FGF) fornece os limites do somito (onda). Em 2005, o mecanismo de formação de somito mostrou incluir um ciclo de feedback negativo envolvendo FGF, bem como o Wnt e Entalhe vias de sinalização. FGF é considerado a frente da onda, Wnt a ponte e Notch o relógio. Os somitos são formados em intervalos específicos e consistentes, exclusivos de cada organismo. Por exemplo, no embrião de pintinho, um novo somito é formado a cada 90 minutos, e os somitos aparecem exatamente ao mesmo tempo nos dois lados do embrião. Uma vez que os somitos são formados, várias regiões dentro são especificadas para formar apenas certos tipos de células e irão eventualmente se comprometer, criando um plano corporal para o organismo.

O comprometimento com tipos específicos de tecido ocorre relativamente tarde no desenvolvimento do somito. Quando o somito ainda está imaturo, ele é multipotente, o que significa que cada uma de suas células pode se tornar qualquer uma das estruturas derivadas do somito. Essas estruturas incluem a cartilagem das vértebras e costelas, os músculos da caixa torácica, membros, parede abdominal, costas e língua, os tendões, a derme da pele dorsal e células vasculares que contribuem para a formação da aorta e os vasos sanguíneos intervertebrais. Os somitos eventualmente divergem em esclerótomo (cartilagem), sindótomo (tendões), miotomo (músculo esquelético), dermátomo (derme) e células endoteliais, cada um correspondendo a diferentes regiões dentro do próprio somito. Cada um desses tipos de células comprometidas é determinado pela indução e localização relativa dentro do organismo.


Gastrulação: do padrão embrionário à forma

Konner M. Winkley,. William C. Smith, em Current Topics in Developmental Biology, 2020

Resumo

Os tunicados são um grupo diversificado de cordados marinhos invertebrados que incluem os larváceos, taliáceos e ascídias. Devido à sua posição evolutiva única como grupo irmão dos vertebrados, os tunicados são inestimáveis ​​como modelo comparativo e prometem revelar características conservadas e derivadas da gastrulação cordata. Estudos descritivos em uma ampla gama de tunicados revelaram vários traços unificadores importantes que os tornam únicos entre os cordados, incluindo linhagens celulares invariantes por meio de estágios de gástrula e uma simplicidade morfológica geral. A gastrulação só foi estudada em detalhes em ascídias, como Ciona e Phallusia, onde envolve uma gástrula simples em forma de copo conduzida principalmente pela invaginação do endoderma. Isso parece diferir significativamente dos modelos de vertebrados, como Xenopus, em que a extensão convergente do mesoderma e a epibolia epidérmica são os principais contribuintes para a involução. Essas diferenças podem refletir a simplicidade celular do embrião ascídia.


Resumo da Seção

Como uma célula procariótica, uma célula eucariótica tem uma membrana plasmática, citoplasma e ribossomos, mas uma célula eucariótica é normalmente maior do que uma célula procariótica, tem um núcleo verdadeiro (o que significa que seu DNA está rodeado por uma membrana) e tem outra membrana. organelas ligadas que permitem a compartimentação de funções. A membrana plasmática é uma bicamada fosfolipídica embutida com proteínas. O nucléolo dentro do núcleo é o local para a montagem do ribossomo. Os ribossomos são encontrados no citoplasma ou estão ligados ao lado citoplasmático da membrana plasmática ou retículo endoplasmático. Eles realizam a síntese de proteínas. As mitocôndrias realizam a respiração celular e produzem ATP. Os peroxissomos decompõem os ácidos graxos, aminoácidos e algumas toxinas. Vesículas e vacúolos são compartimentos de armazenamento e transporte. Nas células vegetais, os vacúolos também ajudam a quebrar as macromoléculas.

As células animais também têm centrossoma e lisossomas. O centrossoma possui dois corpos, os centríolos, com um papel desconhecido na divisão celular. Os lisossomos são as organelas digestivas das células animais.

As células vegetais têm uma parede celular, cloroplastos e um vacúolo central. A parede celular vegetal, cujo principal componente é a celulose, protege a célula, fornece suporte estrutural e dá forma à célula. A fotossíntese ocorre em cloroplastos. O vacúolo central se expande, aumentando a célula sem a necessidade de produzir mais citoplasma.

O sistema endomembrana inclui o envelope nuclear, o retículo endoplasmático, o aparelho de Golgi, lisossomas, vesículas, bem como a membrana plasmática. Esses componentes celulares trabalham juntos para modificar, empacotar, marcar e transportar lipídios e proteínas da membrana.

O citoesqueleto possui três tipos diferentes de elementos proteicos. Os microfilamentos fornecem rigidez e forma à célula e facilitam os movimentos celulares. Os filamentos intermediários suportam a tensão e fixam o núcleo e outras organelas no lugar. Os microtúbulos ajudam a célula a resistir à compressão, servem como trilhas para proteínas motoras que movem as vesículas através da célula e puxam os cromossomos replicados para extremidades opostas de uma célula em divisão. Eles também são os elementos estruturais dos centríolos, flagelos e cílios.

As células animais se comunicam por meio de suas matrizes extracelulares e estão conectadas umas às outras por junções compactas, desmossomos e junções comunicantes. As células vegetais estão conectadas e se comunicam entre si por plasmódios.

Perguntas adicionais de autoverificação

1. Quais são as estruturas de uma célula vegetal que uma célula animal não possui? Que estruturas uma célula animal tem que uma célula vegetal não tem?


O que faz um bioquímico?

Os bioquímicos e biofísicos estudam os princípios químicos e físicos dos seres vivos e dos processos biológicos, como o desenvolvimento, o crescimento, a hereditariedade e as doenças celulares.

DNA, hereditariedade e desenvolvimento celular. Eles trabalham para entender como certas reações químicas acontecem nos tecidos e registrar os efeitos dos medicamentos. O objetivo de um bioquímico é melhorar nossa qualidade de vida, compreendendo os organismos vivos em nível molecular.

Isso pode incluir a realização de experimentos de laboratório para desenvolver medicamentos eficazes ou ir a campo para coletar amostras de células de animais e plantas a fim de compreender como as características genéticas são transmitidas.

Como se tornar um bioquímico ou biofísico

Os titulares de diploma de bacharel e mestre com fortes habilidades em biologia e química podem ganhar posições de nível de entrada no campo, enquanto os bioquímicos precisam de um Ph.D para trabalhar em pesquisa e desenvolvimento independentes.

Os bioquímicos são empregados principalmente no setor de ciências da vida, trabalhando em funções de pesquisa nas indústrias farmacêutica e de biotecnologia, bem como trabalhando em tecnologia de alimentos, toxicologia e produção de vacinas. Muitos também trabalham em institutos acadêmicos, onde lecionam para alunos de graduação e pós-graduação, além de pesquisar suas especialidades e colaborar com seus pares. Outros trabalham para departamentos governamentais, o Serviço Nacional de Saúde e a Agência Ambiental, incluindo gestão da vida selvagem e biologia marinha.

O que eles fazem no dia a dia?

Um bioquímico normalmente conduzirá projetos de pesquisa, gerenciará equipes de laboratório, preparará relatórios técnicos e apresentará os resultados da pesquisa a cientistas e outras partes interessadas. Em seu trabalho diário, os bioquímicos analisam enzimas, DNA e outras moléculas para pesquisar os efeitos de drogas e alimentos nos processos biológicos. Eles usam microscópios eletrônicos, lasers e outros instrumentos de laboratório, bem como software de modelagem de computador para determinar as estruturas das moléculas. A maioria dos bioquímicos trabalha em equipes de pesquisa ao lado de especialistas em outras áreas, como química, física e engenharia.


Aprendendo sobre mutações

Depois que os cientistas sequenciam um gene, você pode pensar que o trabalho deles está feito, mas não é tão simples. Agora eles precisam determinar se as mudanças detectadas no código genético estão realmente mudando a maneira como o gene funciona. Nem todos os cães têm versões idênticas do mesmo gene. A variação genética ocorre quando "erros" são cometidos na duplicação da célula ou nos mecanismos de reparo que causam uma mudança permanente na sequência de nucleotídeos do gene. Essas mutações levam a formas variantes de um gene, chamadas alelos, que podem alterar a função do gene. Se essas mutações existem nas células germinativas, elas podem ser transmitidas para descendentes futuros. A maioria dos genes controla mais de uma função dentro do cão. Freqüentemente, a forma como um gene é expresso, ou "ligado" para produzir proteínas, pode ter um efeito direto sobre o funcionamento de outros genes. Surpreendentemente, enquanto alguns erros no código podem inativar um gene e outros podem aumentar ou adicionar atividade a um gene, a maioria das alterações tem pouca ou nenhuma consequência. Muitas vezes, é um quebra-cabeça complexo de resolver. Os cientistas, sempre cientes do fato de que alelos indesejáveis ​​junto com alelos bons serão passados ​​de pais para filhos, muitas vezes trabalham durante anos para entender a verdadeira função de uma proteína a fim de melhorar a saúde dos cães que estão estudando. No entanto, com a ajuda da Bioinformática, a abordagem estatística para compreender extensos conjuntos de dados biológicos, temos acesso a muitas ferramentas para desvendar os segredos do genoma canino. Usando abordagens novas e sofisticadas, os bioinformáticos talentosos podem comparar a sequência do genoma de um grande número de indivíduos para encontrar mutações únicas. No Projeto Genoma Canino, freqüentemente modelamos nossas abordagens a partir de técnicas aprendidas no Projeto Genoma Humano.


Teoria, forma e função celular: Ciclo celular: interfase, mitose, citocinese

Cada célula eucariótica tem um conjunto repetitivo de eventos que constituem a vida de cada célula, chamado de ciclo de célula. Embora variem em comprimento dependendo da função da célula, o ciclo celular de todas as células pode ser descrito em cinco etapas. As três primeiras etapas em que a célula cresce, amadurece e realiza sua função vital são chamadas coletivamente interfase, seguido pela mitose, e citocinese. Consulte a ilustração Ciclo de célula.

Interfase, Mitose, Citocinese

O continuum interfase de estágios, G1, S e G2, começa o processo em que a célula cresce e amadurece (G1), seguida pela fase S em que o DNA é copiado. Finalmente, o G2 fase é quando a célula se prepara para a divisão. Mitose ocorre quando o núcleo da célula se divide em dois núcleos idênticos com o mesmo número e tipo de cromossomos, seguido por citocinese quando o citoplasma, para células vegetais e animais, se divide, criando assim duas células-filhas que são geneticamente iguais e aproximadamente idênticas em tamanho.

Regulação do ciclo celular e câncer

As células regulam seu ciclo celular de duas maneiras distintas:

  • Durante G1, quando as condições são favoráveis, certas proteínas estimulam a célula a começar a copiar o DNA (fase S). Da mesma forma, se a célula não é saudável ou grande o suficiente, ou as condições ambientais não são favoráveis, o ciclo celular para aqui para evitar lesão celular.
Risco biológico

Embora as mutações ocorram espontaneamente na natureza, fatores ambientais podem aumentar sua incidência, como o uso de produtos de tabaco, superexposição à luz ultravioleta e outro tipo de radiação e certos vírus.

  • O ciclo celular também pode cessar durante o G2 fase no local de replicação do DNA. Se for determinado que o DNA não tem mancha, o processo continua; se danificado, o ciclo celular é suspenso até que o DNA possa ser reparado.

Se ocorrer uma mutação em um dos genes que controlam ou regulam o crescimento celular de várias maneiras, a proteína correspondente pode não funcionar corretamente, permitindo que o ciclo celular prossiga sem interrupção. Câncer é um distúrbio da divisão celular que resulta em crescimento celular descontrolado.

Reprodução Assexuada

Quando um organismo reproduz descendência sem a união de gametas, então ocorreu a reprodução assexuada. Gametas são células sexuais que são espermatozoides (masculino) ou óvulo (feminino).

A reprodução assexuada garante que os descendentes serão geneticamente e estruturalmente idênticos entre si e com seus pais. Também permite que um dos pais produza descendentes rapidamente, o que pode ser uma vantagem ecológica ao explorar um novo território. Por exemplo, a planta rabo de raposa é considerada uma? Erva daninha? em certas partes do meio-oeste. É uma planta anual capaz de produzir sementes suficientes para cobrir uma área exposta em uma estação de cultivo. Em certo sentido, isso é bom, porque pode prevenir a erosão; infelizmente, a área coberta pelo rabo-de-raposa pode ser um campo de fazendeiro.

Também aumenta a probabilidade de a espécie sobreviver, simplesmente por causa de seu grande número. A natureza idêntica da prole também é uma desvantagem potencial devido a uma grande mudança no ambiente, ou ao uso de um biocida ou a um predador faminto.

A reprodução assexuada produz descendentes em quatro métodos distintos:

  • Brotando é quando os descendentes começam como conseqüências ou? botões? do pai. Quando maduros, eles caem e se transformam em adultos maduros. O brotamento é comum em Porifera, como as esponjas.
  • Fragmentação é comum em cnidários e alguns vermes e ocorre quando um pedaço ou pedaços de um organismo são cortados ou separados do corpo principal. A peça fragmentada então cresce e se torna um adulto.
  • Fissão binária é uma combinação de mitose e citocinese porque um organismo simplesmente se divide em dois organismos, especialmente comum em vermes.
  • Partenogênese é a deposição de ovos não fertilizados, muitas vezes por insetos, que se transformam em adultos.

Em todos os casos, os descendentes são idênticos aos pais e uns aos outros.


N determinantes terminais de MinC de Neisseria gonorrhoeae medeia a interação com FtsZ, mas não afeta a interação com MinD ou homodimerização

No presente estudo, a interação entre o inibidor de divisão celular MinC de Niesseria gonorrhoeae (MinCNg) e as proteínas de divisão celular gonocócica MinDNg e FtsZNg são demonstradas. O truncamento de proteínas e as abordagens mutagênicas dirigidas ao local irão determinar quais resíduos N-terminais foram essenciais para a inibição da divisão celular por MinCNg. O truncamento ou mutação no 13º aminoácido do terminal N de MinCNg resultou na perda da função da proteína. O sistema de dois híbridos bacterianos mostrou que a interação de MinC Ng com FtsZ Ng é anulada com o truncamento de 13 resíduos N-terminais. Ele demonstrou que o truncamento de MinC Ng no 13º resíduo de leucina perdeu sua capacidade de interagir com FtsZ Ng, exibindo uma razão para perda de funcionalidade após o truncamento do terminal N.

Os dados confirmam a interação entre as proteínas de divisão celular gonocócica e determinam a necessidade do 13º aminoácido para a função do MinC Ng. Este estudo demonstra que o terminal N de MinC de N. gonorrhoeae está envolvido na funcionalidade da proteína e na interação com FtsZ Ng. A deleção de 13 aminoácidos do terminal N ou mutação pontual do 13º resíduo de MinC Ng torna-o não funcional como um inibidor da divisão celular. Este método demonstrou que o 13º aminoácido da interação MinC Ng - FtsZ Ng é essencial para a divisão celular gonocócica. [5]


Ligação fraca em parC de Neisseria gonorrhea: Identificação de ponto propenso a mutação que pode levar à resistência aos medicamentos

Mutação de N. gonorrhoeae acredita-se que o patógeno seja um fator importante que pode iniciar a resistência aos medicamentos. Em resistente à fluoroquinolina N. gonorrhoeae, as mutações de aminoácidos na região determinante de resistência à fluoroquinolina (QRDR) do gene parC são um fator importante. Aqui, o autor realizou uma análise bioinofrmática para estudar as posições que tendem a obedecer aos motivos peptídicos na sequência de aminoácidos de parC. Para identificar a ligação fraca em parC, uma nova ferramenta de bioinformática chamada GlobPlot foi usada.

De acordo com este trabalho, as posições 1–11, 80–86, 107–120, 147–160, 217–226, 288–294, 584–597 são identificadas como a posição de resistência à mutação. Com base neste estudo, as ligações fracas no parC podem ser identificadas e gerar informações para a expectativa de possíveis novas mutações que podem levar ao fracasso da terapia com gonorreia. Além disso, os resultados deste estudo fornecem informações para pesquisas futuras sobre o diagnóstico de gonorreia mutante e desenvolvimento de novos medicamentos. [14]


Doses múltiplas de cefodizima são necessárias para o tratamento de Neisseria gonorrhoeae infecção faríngea

Uma dose única de cefodizima (CDZM), ceftriaxona (CTRX) ou espectinomicina (SPCM) é o que é recomendado para o tratamento da uretrite gonocócica ou cervicite uterina na era da multirresistência Neisseria gonorrhoeae ou seja, resistente a cefozopran N. gonorrhoeae (CZRNG). Foi descoberto anteriormente que uma única dose de CDZM erradicou completamente o multirresistente N. gonorrhoeae em pacientes com uretrite e cervicite uterina e, portanto, uma dose única de 1,0 g de CDZM para o tratamento de N. gonorrhoeae infecção faríngea, incluindo infecções com CZRNG foi tentada.

A taxa de erradicação de N. gonorrhoeae da faringe foi de 63,0% com uma dose única de 1,0 g de CDZM, enquanto a taxa de CZRNG com a mesma dose de CDZM foi de 38,5%. N. gonorrhoeae foi completamente erradicado da faringe quando os pacientes receberam uma ou duas doses adicionais de CDZM. Foi descoberto que N. gonorrhoeae foi completamente erradicado da faringe quando os pacientes receberam uma ou duas doses adicionais de CDZM. Portanto, pode-se concluir que duas a três doses de CDZM são necessárias para o tratamento da infecção faríngea por CZRNG. [13]


Que a força esteja com você

Ning Wang
1 de fevereiro de 2017

ANDAIME CELULAR: Esta imagem de microscopia de super-resolução composta mostra actina (em uma escala de azul a magenta / vermelho, para os pontos de imagem anteriores a posteriores) em uma célula viva de rim de porco. & copiar FONTE DE TALLEY LAMBERT / CIÊNCIA

É sabido que algumas doenças humanas estão relacionadas a alterações nas propriedades mecânicas dos tecidos. Em pacientes que sofrem de arteriosclerose, as artérias perdem parte de sua elasticidade e se tornam mais espessas e rígidas. Na fibrose hepática ou pulmonar, o tecido conjuntivo fibroso excessivo tem um efeito de endurecimento semelhante nesses órgãos. E pacientes com aneurismas têm protuberâncias em forma de balão em seus vasos sanguíneos que, se não tratadas, podem expandir sob pressão até estourar.

É claro que as propriedades e forças mecânicas não são importantes apenas nas doenças, mas também na saúde. Quase todas as células e tecidos vivos exercem e experimentam forças físicas que influenciam a função biológica. As magnitudes dessas forças variam entre as diferentes células e tecidos.

As forças aplicadas concentram-se nas fibras de estresse de actina e se propagam por distâncias mais longas no citoplasma.

Nos últimos anos, os biólogos começaram a descobrir os atores moleculares que mediam a sensação de força e a propagação no nível celular, e eles estão coletando pistas sobre como os estímulos mecânicos influenciam a função biológica. Esse trabalho pode abrir caminho para uma compreensão mais profunda de como as forças físicas influenciam as funções biológicas no desenvolvimento embrionário, fisiologia normal e doenças complexas. Traduzir essa pesquisa para a clínica pode ajudar a criar novas maneiras de tratar certas doenças usando ferramentas baseadas na mecânica e na engenharia.

Gerando e sentindo forças físicas

No início dos anos 1980, Donald Ingber da Universidade de Harvard e Mina Bissell do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley propuseram independentemente que a matriz extracelular (ECM) que envolve e sustenta as células pode afetar a organização e função celular / tecido, bem como a expressão gênica. Mas, na época, as evidências experimentais eram escassas e o mecanismo não era claro.

Nos anos seguintes, os pesquisadores começaram a relatar que as células experimentam estímulos mecânicos por meio de receptores de superfície celular. Em 1986, Richard Hynes e colegas do MIT clonaram um desses receptores, que eles chamaram de integrina, que acabou sendo a molécula transmembrana primária que medeia a adesão celular à ECM. A maioria dos pesquisadores na época presumiu que as integrinas (agora existem 24 subtipos conhecidos) funcionavam principalmente na sinalização química. Mas, no início da década de 1990, enquanto trabalhava como pós-doutorado no laboratório de Ingber, apresentei a primeira evidência experimental de que as integrinas e os complexos de proteínas intracelulares associados, conhecidos como aderências focais, medeiam a transmissão de força mecânica ao citoesqueleto. 1

Usando esferas magnéticas revestidas com peptídeo Arg-Gly-Asp que agruparam integrinas e induziram a formação de aderências focais sob as esferas na superfície interna da membrana celular, apliquei quantidades medidas de estresse nas superfícies das células vivas e descobri que a rigidez celular aumentou com a magnitude das forças. Ao interromper os filamentos do citoesqueleto, como a actina filamentosa (F-actina), eu poderia abolir a transmissão de força para a célula. Este estudo mudou a visão da comunidade científica sobre as integrinas, que agora são reconhecidas como principais sensores de força molecular.

Posteriormente, usando uma pinça a laser, o laboratório de Mike Sheetz na Universidade de Columbia confirmou de forma independente que as adesões focais transmitem forças externas para a célula. 2 Além disso, dois outros grupos - aqueles de Yu-Li Wang, agora na Carnegie Mellon University, e Benny Geiger no Weizmann Institute of Science - descobriram que as adesões focais também transmitem forças geradas dentro da célula por poderosos motores moleculares, como a miosina II , que se liga à F-actina no citoesqueleto, para dentro da MEC. Esta pesquisa mostrou que a transmissão de sinais mecânicos mediada por adesão focal é bidirecional. 3,4

Outra classe de mecanossensores usados ​​pela célula são os canais iônicos ativados por estiramento na membrana plasmática. Na última década, Martin Chalfie, da Columbia University e outros laboratórios trabalharam em vários canais candidatos que, em resposta ao alongamento, se abrem para permitir que os íons fluam para o citoplasma. O resultado é a transdução mecanoelétrica - análoga a um potencial de ação neuronal - que pode ativar enzimas ou proteínas no citoplasma para afetar as atividades intracelulares ou até mesmo influenciar a expressão gênica. Os mecanismos detalhados disso ainda não são claros, no entanto.

Mais recentemente, muitos laboratórios têm pesquisado mecanossensores intracelulares a jusante das integrinas nas aderências focais. Por exemplo, Sheetz e seus colegas encontraram evidências de um papel de mecanossensor para a proteína de adesão focal talina, 5 enquanto o grupo de Martin Schwartz em Yale demonstrou um papel semelhante para a proteína de adesão focal vinculina. 6 Mas uma questão fundamental permanece: como uma célula viva integra as forças percebidas por diferentes mecanossensores e responde de uma maneira coerente?

Ingber propôs pela primeira vez o modelo de tensegridade celular (integridade tensional) no início dos anos 1980, enfatizando a importância da tensão entre as estruturas do citoesqueleto na capacidade da célula de configurar um sentido holístico das forças em jogo. Se houver tensão nos filamentos do citoesqueleto, uma alteração local em uma parte do filamento é rapidamente transmitida a todas as partes conectadas.

A evidência experimental agora apóia este modelo. No início dos anos 2000, em colaboração com o laboratório Ingber, meu grupo usou produtos químicos para contrair ou relaxar o citoesqueleto de células de músculo liso humano cultivadas, que sistematicamente variavam a tensão inerente das células, ou "pré-esforço", sem alterar sua forma. Descobrimos que a rigidez da célula mudou de acordo. Em outras palavras, a rigidez celular é determinada pela tensão do citoesqueleto. 7 Além disso, depois de interromper os microtúbulos da célula com drogas específicas, descobrimos que a força transmitida para fora da célula aumentou. 8 Isso sugere que os microtúbulos, que são componentes relativamente rígidos do citoesqueleto, estão essencialmente equilibrando parte do pré-esforço endógeno da célula e, quando são perturbados, essa tensão é transferida para a MEC.

Mecanotransdução à distância

SEGUINDO A FORÇA
Veja infográfico completo: WEB | PDF © THOM GRAVES Por muitos anos, a visão predominante no campo da mecanotransdução era que as forças transmitem apenas uma curta distância nas células vivas e, portanto, uma força local só pode exercer efeitos significativos na periferia da célula. Do ponto de vista da ciência dos materiais, esse alcance limitado seria razoável se o material fosse homogêneo e isotrópico - em outras palavras, não há diferença em sua rigidez ou outras propriedades mecânicas quando a direção da força é alterada. Nesse caso, uma tensão local diminuiria rapidamente à medida que a distância aumentasse. No entanto, o citoplasma de uma célula viva não é homogêneo nem isotrópico, é heterogêneo e anisotrópico, o que significa que as propriedades mecânicas do material dependem da direção da força. É importante ressaltar que existem feixes de actina protendidos rígidos (também chamados de fibras de estresse) na célula. As forças aplicadas concentram-se nesses feixes de actina e se propagam por distâncias mais longas no citoplasma.

Desde o início dos anos 2000, meu grupo demonstrou que as forças se propagam por distâncias celulares relativamente vastas - da ordem de dezenas de micrômetros - em células vivas, e que esse sinal de longa distância depende da tensão inerente no citoesqueleto. 9,10 Just as a violin string can only ring with the correct resonance and sound the right note if it has proper tension, when the prestressed actin bundles are disrupted, force propagation becomes short-range (acting over only a few μms). The higher the tension, the farther the force will be propagated.

Most recently, we have found that specific signaling molecules—in particular, the tyrosine kinase Src and the GTPase Rac1—can be activated at distances of more than 60 μm away from the site of the local force application via integrins at the cell membrane. 11,12 Importantly, this activation is fast, taking less than 300 ms from force application to the activation of Src and Rac1, making mechanotransduction much faster than the 10 to 20 seconds it takes a soluble growth factor–induced signal to travel over the same distance. 11

Mechanotransduction in the nucleus

In contrast to the emerging picture of force propagation in the cytoplasm, we know very little about nuclear mechanotransduction. The nuclear envelope is physically tethered to the actin cytoskeleton via the LINC (linker of nucleoskeleton and cytoskeleton) complex. In the late 1990s, Ingber and colleagues published the first evidence that force-carrying connections reach from the plasma membrane to the nucleus, perhaps playing a role in the regulation of gene expression. Using a micropipette coated with fibronectin to attach to the cell surface, the researchers pulled on the cell and found that the nuclear envelope distorted. 13 Later, my group revealed a force-induced protein-protein dissociation inside the nucleus. 14 This change was dependent on both a properly stressed cytoskeleton and an intact nuclear lamina, a layer of intermediate filament proteins called lamins that line the inside of the bilamellar nuclear envelope. Subsequent research has demonstrated that lamins are mechanosensors critical for extracellular matrix stiffness–directed differentiation, 15 and for regulation of transcription factors. 16

Mechanomedicine is poised to emerge as an exciting branch of medicine that uses mechanics- and engineering-based prin­ciples and technologies for precision diagnostics and effective therapeutics.

To more directly investigate whether a physiologically relevant force can directly deform chromatin structure in a living cell to regulate specific gene expression, my group recently teamed up with Andy Belmont’s lab at the University of Illinois at Urbana-Champaign. Belmont’s team used bacterial artificial chromosomes to insert multiple green fluorescent proteins and the gene for dihydrofolate reductase (DHFR), an essential enzyme for the synthesis of thymine, into the same chromatin domain in Chinese hamster ovary (CHO) cells. My lab applied a local force to those modified cells via integrins. Sure enough, we measured an uptick in DHFR transcription in response to the applied force. Conversely, disrupting cytoskeletal tension, or the force transmission pathways from the cell surface to lamins and to the nuclear structural proteins that connect to the chromatin, abolished force-induced DHFR expression. 17

This work provides the first evidence that externally applied forces can stretch chromatin and promote gene expression. As expected with physical force–mediated processes, the response was rapid we were able to quantify DHFR transcription upregulation within 15 seconds after force application. Interestingly, force-triggered transcription is sensitive to the angle and direction of force relative to the actin bundles: the higher the stress angle, the greater the transcription. Because endogenous forces are constantly generated inside a living cell, these findings suggest that gene expression might be incessantly regulated by physical forces via this direct structural pathway and the indirect pathways of matrix rigidity–dependent nuclear translocation of certain factors, such as yes-associated protein (YAP) and TWIST1. More research is needed to understand the relative contributions of each of these mechanisms in determining overall gene expression levels in any given cell.

From mechanobiology to mechanomedicine

TUMOR POTENTIAL: When melanoma cells were injected into embryonic zebrafish pericardium (red cells indicated by white arrow), the membrane that surrounds the heart, the cells travel to the tail in just one hour post injection (hpi). Differentiated melanoma cells cultured on stiff substrates (Cont) were less efficient than undifferentiated tumor-repopulating cells (TRCs) cultured on a soft matrix at establishing new tumors. SCI REP, 6:19304, 2016. Mechanobiology is becoming increasingly relevant to stem cell biology. For many years, researchers have cultured cells on top of rigid plastic or glass coverslips. However, it is well known that various types of living cells in soft tissues attach to matrices of varying stiffness. Tuning the substrate stiffness in a controlled manner, Yu-Li Wang and colleagues demonstrated that the size and dynamics of focal adhesion complexes as well as the migration of living cells are dramatically altered by substrates of different rigidity. 3 Later, Adam Engler of the University of California, San Diego, and Dennis Discher of the University of Pennsylvania reported that mesenchymal stem cell differentiation can be directed by extracellular matrix stiffness. 18 And my lab has demonstrated that applying local force can spur the differentiation of a single embryonic stem cell. 19 Physical forces also appear critical in the patterning and organization of germ layers during early mammalian embryonic development.

Researchers are also considering mechanical forces in cancer research. For example, despite decades of study, it is still unclear why only a few cancer cells out of thousands are able to metastasize. The answer may lie in the tumor’s physical environment. Scientists have shown that, in primary tumors, high mechanical tension and matrix stiffening are important in cancer progression, and high fluid/solid pressure in the primary tumor often accompanies tumor growth. However, secondary metastatic sites of tumors appear to be softer—suggesting that they have lower forces—than the surrounding normal tissues.

See “The Forces of Cancer,” O cientista, April 2016.

Using a 3-D soft matrix made of fibrin gels, my group has managed to isolate and grow cells that are highly tumorigenic and malignant, called tumor-repopulating cells (TRCs), from several murine or human cancer cell lines. 20 Interestingly, melanoma TRCs cultured in soft 3-D matrices are less differentiated—and thus more tumorigenic—than melanoma cells grown in stiff matrices or on rigid plastic, suggesting that low matrix stiffness drives TRC growth. 21 These soft-cultured melanoma TRCs also move out of the blood vessels in zebrafish to secondary sites more efficiently than more-differentiated melanoma cells cultured on stiff substrates. 22 These findings suggest a common thread in metastatic colonization of malignant tumors: a few tumorigenic cells are able to survive, metastasize, and grow at the secondary sites of soft matrices because these cells are undifferentiated.

And the role of physical forces in biology is by no means limited to stem cells and cancer biology. Across the life sciences, researchers are continuing to draw on insights into mechanobiology to better understand and treat a wide variety of conditions. Human organs-on-a-chip for novel drug screening, shear force–activated cleaning of thrombosis, mechanically tuned hydrogels for bone formation, and tumor cell membrane–derived therapeutic microparticles for reversing cancer drug resistance are just a few recent examples of clinical applications of mechanobiology-based technologies. Mechanobiology-based medicine (mechanomedicine) is poised to emerge as an exciting branch of medicine that uses mechanics- and engineering-based principles and technologies for precision diagnostics and effective therapeutics of diseases that are beyond the reach of existing toolboxes.

Ning Wang is the Leonard C. and Mary Lou Hoeft Professor in the Department of Mechanical Science and Engineering at the University of Illinois at Urbana-Champaign and adjunct professor at Huazhong University of Science and Technology.


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